Si基高效电池工艺路线汇总.pptx

for a better world environment & future,,si基高效电池工艺路线汇总,前 言,高效晶硅电池技术发展现状,其他高效电池技术介绍,太阳能电池未来发展趋势,内容简介,1839年法国becquerel报道光照在插入电解质的电极系统中产生光伏效应； 1954年贝尔实验室的三位专家研制成功效率为 6的第一块单晶硅太阳电池。 纽约时报当时把这一突破性的成果称为“最终导致使无限阳光为人类文明服务的一个新时代的开始。” 划时代的里程碑； 1958年硅电池首次在空间应用；1960年代电池效率大幅度提高，得到普遍应用。 1970年代初开始在地面应用，1970年代末地面用电池的量已大大超过空间电池； 1998年德国实施十万天棚计划。 2004年德国实施光伏法案，导致了太阳能光伏产业和光伏应用的迅猛发展。 1959年我国第一个实用太阳电池诞生； 1971年太阳电池首次应用于我国第二颗人造卫星实践1号上； 1980年代我国引进国外关键设备或成套生产线，太阳电池产业初步形成。 2004年后我国大规模引进国外成套生产线，2007年成为光伏生产强国。,前 言 太阳能光伏发展简史,前 言 太阳能电池分类,当前晶硅太阳能电池的生产和使用占据主流市场地位，且在未来1520年将仍然以晶体硅太阳能电池为主,太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。典型的太阳电池是一个p-n结半导体二极管。 p型半导体及n型半导体 p-n结和内建电场的形成 电子空穴对的产生光生载流子 光伏效应光生电压 电流收集和储存转换,前 言 太阳能电池工作原理,前 言 太阳能电池的效率（理论和实验室效率）,肖克利的太阳电池效率的理论计算,晶体管之父 william bradford shockley 或许没有想到，他关于半导体的工作不仅引发了一次产业革命，在数十年后又为另外一个庞大行业提供了研究的基础。1961年，他与 queisser 通过理论计算发现，效率极限与材料的带隙有关，具有最高理论转换效率的材料是gaas，其极限效率接近32%，而si的极限效率要低一些。 虽然shockley预言了半导体太阳电池的极限效率，但是他的结果仅适用了单个p-n结的器件，随着 技术日益完善，采用新材料、具有复杂结构的新型光伏器件的制备技术已经出现 。对于多个p-n结结构的多结叠层电池和采用纳米技术制备的新材料和新结构的电池而言，它们不受 shockley 极限的限制，以至可获得超过40%甚至50%的效率。,william bradford shockley (february 13, 1910 august 12, 1989),前 言 太阳能电池的效率（理论和实验室效率）,实验室各类型高效电池记录里程碑 （晶硅电池最高效率为24.7，保持世界记录至今）,高效晶硅电池技术发展现状 影响太阳能电池效率的主要因素,太阳电池效率的损失机理,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术方向,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（表面织构化）,单晶硅碱制绒 金字塔绒面形貌,多晶酸制绒显微形貌,多晶酸制绒sem形貌,常规电池生产工艺中的表面织构化技术,根据单晶硅碱制绒各项异性腐蚀的特点，利用强碱+制绒辅助剂，形成金字塔形貌的低反射率织构化表面。工艺控制要点主要为： 制绒时间 药液配比 制绒温度,根据晶硅酸制绒各项同性腐蚀的特点，利用hf+hno3混合酸液，形成蜂窝状低反射率织构化表面。工艺控制要点主要为： 制绒时间 药液配比 制绒温度,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（表面织构化）,干法制绒之rie技术反应离子刻蚀表面织构化技术,rie制绒后的sem照片,rie设备一般是由pecvd改装而来，该工艺主要是利用sf6/o2或cl2等离子体对硅片表面的刻蚀来制绒，由于cl2具有毒性，所以常常使用sf6/o2作为反应气体。sf6/o2的等离子体经过加速后到达硅片表面，对硅片发生刻蚀，从而形成几百纳米的绒面结构。该方法的优点是可以同时对单晶和多晶硅片进行制绒，制得绒面均匀性好，反射率低；缺点是反应生成的气体具有一定毒性，同时在硅片表面形成一层损伤层，需要通过湿法腐蚀去除。,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（表面织构化）,干法制绒之激光技术激光刻槽和飞秒激光制绒表面织构化技术,激光刻槽制绒sem照片,飞秒激光制绒sem照片,激光刻槽制绒是直接用激光在硅片表面扫描刻槽，由于激光光斑尺寸的限制，该方法刻出的槽的宽度大于20m，深度也常常大于20 m，同时高能激光对硅片表面形成了严重的损伤，也需要通过湿法来去除损伤层，而且扫描完整片硅片需要的时间很长一般需要30分钟以上，因此限制了该方法的产业化应用。 飞秒激光制绒是利用飞秒激光在sf6气氛中，激发sf6同硅片发生反应，从而在硅片表面制备出大小均匀的绒面，绒面的尺寸可以从几百纳米到几微米。但缺点是飞秒激光器价格昂贵，同时反应过程会产生有毒气体，反应速度也比较慢，难于应用于产业化。,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（表面织构化）,光刻工艺在表面织构化技术中的应用,光刻工艺是半导体制造中最重要的工艺步骤之一。主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀（干法或湿法刻蚀）或者离子注入工序做好准备。 光刻工艺优点 可根据设计要求，制作均匀一致的表面织构图形。 光刻工艺的不足 成本高，工艺耗时长。,光刻十步法,光刻工艺形成的各类型表面织构图形,perl电池“倒金字塔表”表面织构图形,减反膜原理,减反膜效果,硅片沉积减反膜后形貌,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（减反射涂层）,常规电池生产工艺中的减反射涂层技术,在电池表面形成具有一定厚度和折射率的减反射膜，可以使入射光产生的各级反射相互间进行干涉从而完全抵消，从而增加电池对光的吸收能力。 当前常规电池减反射工艺主要是基于pecvd技术。pecvd是借助微波电能使得反应气体电离，在局部形成等离子体，增强sih4和nh3化学反应活性，在基片上沉积出掺氢氮化硅薄膜（sinx:h）。氮化硅薄膜具有高效的光学减反射性能，优良的表面钝化效果，良好的化学稳定性，以及阻挡钠离子和水蒸汽的能力。,此外，减反射技术也可以利用sinx、al2o3、tio2、sio2、sno2、zns、mgf2等形成单层、双层或多层减反射膜。一些过渡层的存在同时可更好的钝化硅片表面结构，减少表面的缺陷态密度，从而增加少子寿命，提升电池效率。,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡）,当前常规丝网印刷工艺，一般会造成5%10%电池面积的栅线及阴影遮挡损失。如果采用一些特殊的电池制作工艺，可显著降低此部分能量的损失，从而达到增强光吸收，提高电池效率的目的。,减少正面栅线及阴影遮挡的主要方法有 二次印刷技术（double print）和电镀技术（electroplating） 激光刻槽埋栅（lgbc） 透明电极技术（透明导电氧化物薄膜tco） 背接触（ibc，mwt，ewt）,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之dp和电镀技术）,二次印刷和电镀都是希望减小电池正面栅线的宽度，提高栅线的高宽比，从而减少光遮挡，减小接触电阻来提高太阳电池的效率。 二次印刷技术主要利用套印网版进行两次丝网印刷，形成较优的栅线高宽比。 电镀技术一般先在氮化硅表面形成栅线较细的电极图形(种子层)，经过烧结后该层与pn结形成良好的欧姆接触，然后通过电镀的方式增加电极的导电性，从而可以得到栅线宽度在40um左右甚至更窄的电极,applied material二次印刷技术效果对比示意,电镀效果示意,电镀后,电镀前（种子层）,lgbc常规工艺流程,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之lgbc技术）,lgbc电池是有激光刻槽埋栅电极 （laser groove bury contact） 工艺电池的简称。由unsw开发的技术，是利用激光技术在硅表面上刻槽，然后埋入金属，以起到前表面点接触栅极的作用。,新南威尔士大学激光刻槽埋栅电池 eta 19.8%,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之tco技术）,无论是采用丝网印刷技术还是lgbc工艺，电池表面总是有一部分被金属电极覆盖。因此，透明电极受到了人们的关注。太阳能电池用透明电极一般是用zao（znox）制成，可以避免表面被遮盖。但是由于硅电池的后续工艺都需要高温，透明电极的导电性能和透光性能在后续工艺中都会下降，因此限制了其当前的应用。,ito-ag-ito构造中银薄膜厚度对穿透光谱的模拟结果及所制作的样品,透明导电膜中银的网状构造,透明电极应用实例cigs电池结构,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之ibc技术）,交叉指型背接触电池( interdigitated back-contact， ibc )，主要采用体少子寿命较高cz单晶硅-n type base。其特点是正面无栅状电极，实现了电池正面“零遮挡”，正负极交叉排列在背面。 ibc电池正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅复合膜与n+层结合作为前表面电场，并制成绒面结构以抗反射。背面利用扩散法做成p+和n+交错间隔的交叉式接面，并通过氧化硅上开金属接触孔，利用点接触(point-contact cell，pcc）实现电极与发射区或基区的接触。交叉排布的发射区与基区电极几乎覆盖了背表面的大部分，十分有利于电流的引出。但制作流程也十分复杂，工艺中的难点包括p+扩散、金属电极下重扩散以及激光烧结等。,sunpower ibc cell eta=22.3%,意大利silfab与isc konstanz研制 21%的ibc太阳能电池,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之mwt技术）,金属穿孔卷绕（metal wrap through，mwt）电池是通过激光对硅片进行打孔把电池正面的主栅引到孔里面和背面，减少光遮挡，从而提高电池效率的一种工艺。该工艺的主要难点在于减少激光打孔带来的损伤，孔里面的银浆注入，发射极和基极的电隔离，孔的数量和正面栅线的设计及优化等。 由于该工艺改变了栅线的排布方式，所以不能够使用现有的串焊机进行串焊，需要使用pcb板来进行电池的连接，从而推高了组件的成本,mwt电池正背面形貌示意,mwt电池结构示意,发射极穿孔卷绕（emitter wrap-through，ewt）太阳能电池是一种颇具前途的背接触电池方案。这种太阳能电池通过激光钻孔将n+发射极从前表面卷绕至后表面，以形成导电通路。相比mwt电池，这种设计完全消除了网格遮蔽损耗，进一步改善了效率和外观效果。且由于在前后两个表面上均存在n型发射极，因此该电池结构还具备双面集电的固有特征，从而有效地提升了内部集电效率。 内部集电效率的改善意味着ewt电池可以使用成本较低的硅材料（比如：经改良的冶金级硅），而由此造成的性能损失则较少。当前单晶硅ewt电池的效率已经达到了21%以上，多晶硅ewt电池的预期效率则在19%左右。,高效晶硅电池技术发展现状 减少光学损失的技术（减少正面栅线及阴影遮挡之ewt技术）,采用背面分布式接触点的ewt电池图解,ewt电池结构示意图解,ewt开孔处结构示意,高效晶硅电池技术发展现状 减少电学损失的技术方向,理想的钝化技术,高效晶硅电池技术发展现状 减少电学损失的技术方向（改善晶体结构之准单晶技术）,高效晶硅电池技术发展现状 减少电学损失的技术方向（改善晶体结构之高效多晶技术）,晶体硅中的杂质形式,缺陷密度与碳含量的关系,不同类型的晶体缺陷,缺陷密度对voc的影响,高效晶硅电池技术发展现状 减少电学损失的技术方向（改善晶体结构之高效多晶技术）,限制多晶硅效率的主要原因之一是多晶硅的晶体缺陷，如位错、晶界、杂质等。通过深入研究多晶缺陷发现，多晶电池的低效率主要是由多晶晶粒的位错造成。 通过对铸锭炉的热场进行特殊设计，通过成核技术的提高来抑制位错随生长方向的增值，可使位错、层错，晶界等晶体缺陷获得更精确的控制，从而获得多晶效率的提升。renesola的virtus系列硅片,gcl的s系列硅片，ldk的m系列硅片等,位错示意 图中黑色暗点是由大量位错蚀坑导致的， 蚀坑越多说明位错密度越大,制绒后位错示意 左图为普通多晶，右图为高效多晶,el位错示意 左图为普通多晶eta=17.00% 右图为高效多晶eta=17.73%,高效晶硅电池技术发展现状 减少电学损失的技术方向（理想p-n结获得之离子注入技术）,离子注入是指电离的带掺杂原子或分子加速到一定的能量，注入到晶体中，然后经过rta退火使杂质激活，达到掺杂的目的。 目前，美国varian已经和国内的正泰、中电等公司签署了合作协议，共同开发离子注入及相关工艺，据称可以使现有的单晶硅太阳电池效率提高约1%。,高效晶硅电池技术发展现状 减少电学损失的技术方向（最小的接触电阻之se技术）,传统结构电池 se结构电池 传统结构电池和选择性发射极电池的结构比较,选择性发射极（selective emitter）晶体硅太阳能电池，即在金属栅线（电极）与硅片接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂结构的电池。,降低串联电阻 提高填充因子 太阳电池的串联电阻由栅线体电阻、前栅与硅表面的接触电阻、扩散层薄层电阻、硅片体电阻、背电极接触电阻和背场体电阻组成。 其中，在丝网印刷工艺下，前栅接触电阻、体电阻和扩散层薄层电阻对串联电阻贡献最大。 根据金属-半导体接触电阻理论，接触电阻与金属势垒和表面掺杂浓度有关，势垒越低，掺杂浓度越高，接触电阻越小。,减少载流子auger复合 提高表面钝化效果 当杂质浓度大于1017cm3时，auger复合是半导体中主要的复合机制，而auger复合速率与杂质浓度的平方成反比关系，所以se的浅扩散可以有效减少载流子在扩散层横向流动时的auger，提高载流子收集效率； 另外，低表面掺杂浓度意味着低表面态密度，这样也可提高钝化效果。,改善短波响应 提高isc和voc 对于am1.5g而言，约20%能量的入射光的吸收发生在扩散层内，所以浅扩散可以提高这些短波段太阳光的量子效率，提高短路电流； 同时，由于存在一个横向的(n+ n+)高低结，和传统结构相比，还可提高开路电压。,se结构优点,高效晶硅电池技术发展现状 减少电学损失的技术方向（理想钝化技术）,具有负电荷特性的al2o3已经被证明可以为低电阻p型和铝、硼扩散的n型表面提供良好的钝化。目前al2o3的沉积方式主要有ald、pecvd和反应溅射技术。al2o3/sinx双层膜也可以提供更好的减反射特性。因此成为各太阳电池研究所和企业研发的热点技术。 传统的太阳电池在背面全部由铝背场覆盖，通过烧结后形成大约8m深，掺杂浓度大约为1018/cm3的p+层，形成铝背场。但烧结后形成的铝硅共溶体表面缺陷过多，造成较为严重的表面复合。因此在背面镀上一层al2o3/sinx双层膜，将会极大的减少表面的复合中心。而铝同硅的欧姆接触，则通过对介质膜开孔后同硅表面接触形成。长波段的太阳光透过硅片后被铝电极反射回太阳电池，al2o3/sinx双层膜可以增加对反射回光线的吸收，从而进一步提高电池的效率。 目前的太阳电池都是通过烧结形成铝掺杂p+的铝背场，但铝掺杂的深度大约为8m，缺陷较多，因此限制了太阳电池的效率。而通过硼掺杂形成背面数百nm深度的硼背场，同时结合背面钝化和点接触工艺可以较大的提高太阳电池的效率。,pe系列电池（pesc、perc、perl）是新南威尔士大学研究了近20年的先进电池系列，前两个子母pe（passivated emitter）代表前表面的钝化（选择性扩散），后两个子母代表后表面的扩散和接触情况。其中perl衍生了南京中电的se电池与尚德的pluto电池。,高效晶硅电池技术发展现状 unsw的pe系列电池简介,unsw的pe系列电池,pesc电池 （钝化发射极背接触）,1985年问世,可以做到大于83的填充因子和20.8（am1.5）的效率,perc电池 （钝化发射极背场点接触）,用背面点接触来代替pesc电池的整个背面铝合金接触，这种电池达到了大约700mv的开路电压和22.3的效率,perl电池 （钝化发射极背部局域扩散,1999年新南威尔士大学的j.zhao在perc电池结构和工艺的基础上，在电池背面的接触孔处采用了bbr3定域扩散制备，电池效率达到24.7，接近理论值，是迄今为止的最高记录,高效晶硅电池技术发展现状 perl电池简介,perl电池 =24.7% 面积= 4cm2 ,voc=705mv jsc =42.7ma, ff=82.8%,perl电池的工艺流程,p 31,其他高效电池技术介绍 n型电池简介,目前只有sunpower（ibc电池）和sanyo（hit电池）两家企业n型si衬底生产高效太阳能电池做得较好。英利和荷兰ecn合作开发的基于n型材料和mwt技术（n-mwt，熊猫电池）的高效光伏电池项目填补了国内n型电池技术的空白。,少子寿命长,n型硅相对于p型硅来说，由于对金属杂质和许多非金属缺陷不敏感，或者说具有很好的忍耐性能，故其少数载流子具有较长而且稳定的扩散长度,光致衰减影响减弱,硼掺杂cz硅出现的光致衰减是由硼氧对导致的。由于n型磷掺杂cz硅中硼含量极低，所以由硼氧对所导致的光致衰减并不明显,n型硅衬底的优点,n型硅衬底上实现pn结的方法,硼扩散制结需要更高温度，易导致材料性能变坏,价格低廉而又容易实现，目前受到普遍关注,hit电池只有sanyo做得较好，没有推广,其他高效电池技术介绍 n型电池之hit电池,hit ( hetero-j